型钢再生混凝土界面粘结滑移试验研究

杨卓强，刘元珍

（1.太原科技大学 交通与物流学院，山西 太原 030024；2.太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

0 引 言

再生混凝土即利用废弃混凝土破碎加工处理形成的再生骨料，部分或者全部取代天然骨料制备而成的混凝土[1-2]。随着我国基础设施建设速度进一步提速，混凝土骨料的需求量也越来越大，大量的开山采石严重破坏了生态环境[3-4]。与此同时，建筑业产生的废弃物排放量也持续增加，占据了大量土地资源，引起环境及社会问题[5]。再生混凝土较好地解决了建筑资源节约及建筑废弃物处理两大难题，实现建筑资源可持续发展。目前，再生混凝土材料配合比、基本力学性能及各类构件承载力与抗震性能均得到了较多研究，形成了相对完善的体系[6-7]。

型钢再生混凝土由型钢和再生混凝土组合形成，具有型钢混凝土结构承载力高、刚度大的优点，同时又实现了废弃混凝土资源的再利用，型钢再生混凝土的应用推广有着重要的意义。目前型钢与再生混凝土间粘结性能的研究还相对较少，型钢与再生混凝土协同工作性能尚需进一步明确。基于此，本试验开展型钢再生混凝土界面粘结滑移相关研究，研究变化参数包括再生骨料取代率、保护层厚度、横向配箍率、锚固长度等因素，开展静力加载试验，探讨型钢再生混凝土粘结滑移受力机理，为型钢再生混凝土结构应用推广提供参考。

1 试验

1.1 原材料及配合比

水泥：狮头牌P·O42.5水泥，28 d抗压强度48.9 MPa；河砂：中砂，细度模数2.8；碎石：粒径5～20 mm，级配良好；再生粗骨料：来自某既有建筑拆迁废弃混凝土，粒径5～20 mm，表观密度2490 kg/m3，压碎指标16%；普通热轧工字钢Ⅰ10；试件纵向钢筋采用HRB35钢筋，水平箍筋选用HPB300钢筋。

试验中再生骨料取代率分别为0、30%、50%、100%，混凝土配合比和28 d抗压强度、轴心抗拉强度如表1所示。

表1 混凝土配合比和28 d抗压强度、轴心抗拉强度

1.2 试验方案

本试验共设计10组型钢再生混凝土推出试件，试件截面设计如图1所示。各试件变化参数包括：再生骨料取代率（r）、保护层厚度（a）、箍筋配置、锚固长度（l）。试验设计如表2所示。SRRC-1～SRRC-4试件对比不同再生骨料取代率的影响，SRRC-4～SRRC-6试件对比保护层厚度的影响，SRRC-4、SRRC-7、SRRC-8试件对比横向配箍率的影响，SRRC-4、SRRC-9、SRRC-10试件对比锚固长度的影响。

图1 试件截面设计示意

表2 试件设计参数

试件采用YAW-5000 kN力学试验机加载，通过位移控制单调加载，加载速度为0.002 mm/s。试验过程中，通过粘结于型钢腹板表面的应变片采集型钢粘结应力分布，应变片布置间距为50 mm。应变片粘贴完成后，采用薄钢片粘贴于应变片表面，用以保护应变片，同时减小应变片粘贴对型钢和混凝土界面的破坏。通过在试件加载端和自由端安装位移计，测试试件的滑移值。加载装置示意如图2所示，图2中的钢支座预先开设出大于型钢尺寸的洞口。应变片布置如图3所示。

图2 试件装置示意

图3 应变片布置

2 试验结果及分析

2.1 加载过程分析

在试验加载初期，型钢与再生混凝土间并未出现滑移，试件表面未出现肉眼可见的裂缝，此时型钢与再生混凝土间的粘结应力主要为化学胶结力。当荷载增大至峰值荷载的40%～60%时，试件加载端首先出现滑移，试件进入局部滑移阶段，滑移逐渐向自由端扩展，随着滑动区域的扩展，试件的化学胶结力逐渐降低，型钢与再生混凝土之间的摩阻力及机械咬合力逐渐发挥作用。当荷载接近峰值荷载时，试件侧面出现的裂缝逐渐发展成为贯通整个试件高度的主裂缝。当荷载达到峰值荷载后，试件发出巨响，荷载突然下降30%～40%，试件进入全滑移阶段，试件加载端与滑移段位移相差较小，荷载下降较为平缓，直至整个试验结束。

2.2 试件破坏形态

图4为部分典型试件裂缝分布情况，试件裂缝首先在试件端部产生，随后逐渐发展延伸，直至贯通整个试件长度范围。对型钢翼缘所在侧贯通裂缝观察可知，裂缝均呈现外宽内窄，可以推断裂缝由外向内逐渐发展。在试件的自由端及加载端型钢的肢尖存在向角部方向延伸的裂缝，此类裂缝的形成及发展受不同箍筋配置及保护层厚度等因素影响，截面配箍率较高、保护层厚度较大的构件，裂缝长度相对较短，裂缝发展受到限制。

图4 典型试件裂缝分布

2.3 荷载-滑移曲线

由于不同型钢再生混凝土试件的荷载-滑移曲线变化规律相差不大，图5列举了典型试件SRRC-2、SRRC-4、SRRC-8加载端荷载-滑移曲线。

图5 典型试件荷载-滑移曲线

对图5进行分析可知，加载端荷载-滑移曲线分为4个阶段，即无滑移阶段、荷载上升阶段、荷载快速下降阶段和荷载平缓下降阶段。在试件加载初期，加载端并未出现滑移，直至达到极限荷载的40%～60%时，加载端才开始产生滑移，首次出现滑移时对应的荷载即初始滑移荷载。随着荷载的增加，加载端滑移逐渐增大，上升段曲线斜率逐渐下降，直至达到峰值荷载，此阶段即荷载上升阶段，对应的峰值荷载即为极限荷载。荷载超过峰值荷载后，曲线迅速跌落，荷载突然降低30%～40%，即荷载快速下降阶段。此后，试件滑移进一步增大，荷载下降速度较为缓慢，试件进入荷载平缓下降阶段，对应的此阶段的起点即为残余荷载。

2.4 特征粘结强度

型钢再生混凝土特征粘结强度如表3所示。其中Pc为开裂荷载，对应试件出现首条裂缝时刻的荷载；Pu为峰值荷载，对应试件荷载-滑移曲线的最高点荷载；Pr为残余荷载，对应荷载-滑移曲线进入平缓下降阶段的初始荷载。基于试验结果，通过式（1）计算得出对应的开裂平均粘结应力τc、峰值平均粘结应力τu、残余平均粘结应力τr。

式中：τ——试件平均粘结应力，MPa；

C——型钢横截面周长，mm。

表3 型钢再生混凝土试件的粘结强度

2.5 粘结应力

通过粘贴于型钢表面的应变片采集型钢应变沿型钢腹板长度方向分布规律，典型试件SRRC-2、SRRC-4、SRRC-8的应变沿型钢长度方向呈指数分布（见图6）。

基于试验结果，拟合出SRRC-2、SRRC-4、SRRC-8试件在Pu和70%Pu应力水平应变分布函数表达式，拟合函数与试验结果吻合良好，各拟合公式如表4所示。

表4 应变拟合曲线结果

图6 应变分布及拟合曲线

基于应变分布规律及图7所示受力分析简图，建立出单元应力平衡方程如下式（2）所示：

图7 型钢受力简图

综合上述公式，整理得出型钢再生混凝土粘结应力分布函数，如式（3）所示：

式中：A——型钢的截面面积，mm2；

E——钢材的弹性模量，N/mm2。

由式（3）计算得出沿型钢长度方向应力分布如图8所示，由图8可知，型钢最大粘结应力位置在加载端附近，并向自由端逐渐递减，递减速度逐渐下降。

图8 粘结应力随型钢长度的分布

3 型钢再生混凝土粘结强度影响因素分析

3.1 再生骨料取代率的影响

由表3可知，随着再生骨料取代率增大，试件粘结强度逐渐降低。结合表1中不同再生骨料取代率混凝土的抗压强度可知，型钢再生混凝土粘结强度与再生混凝土的抗压强度随再生骨料取代率变化规律基本一致，再生骨料取代率对试件粘结强度的影响因素主要在于混凝土抗压强度的变化。随着混凝土抗压强度的降低，混凝土内部缺陷相对增多，致密性下降，混凝土与型钢间粘结性能随之受到影响。

3.2 保护层厚度的影响

由表3可知，随着保护层厚度增大，极限粘结强度、残余粘结强度均随之提高。当保护层厚度为100 mm时，峰值粘结强度和残余粘结强度较保护层厚度为50 mm的分别提高7.0%、27.8%。型钢保护层厚度增加，混凝土对型钢包裹效应随之增大，型钢与混凝土界面压力有所提高，试件粘结强度得到增大。同时保护层厚度增加，试件抗裂性能也得到提高，这也有利于试件粘结强度提高。

3.3 横向配箍率的影响

由表3可知，当横向配箍率由0.36%分别提高到0.59%、0.71%时，试件极限粘结强度分别提高了3.62%和6.74%。随着横向配箍率的增加，箍筋对混凝土的约束作用逐渐增强，当受到外界荷载作用时，型钢与混凝土接触界面受到箍筋套箍作用，对混凝土裂缝的发展具有抑制作用，有利于提高试件粘结强度。

3.4 锚固长度的影响

由表3可知，随着锚固长度增大，试件峰值粘结强度降低，且降低速率随锚固长度增大而增大；锚固长度对残余粘结强度影响较小。

4 粘结强度计算

根据本次试验结果，通过回归分析，得出型钢再生混凝土粘结强度计算公式如下：

采用式（4）的计算值与实测值的比较如表5所示，由表5可知，式（4）计算值与实测值比值为0.98～1.03，计算值与实测值较为接近，吻合较好。

表5 极限粘结强度计算值与实测值比较

5 结 论

（1）型钢再生混凝土粘结滑移破坏过程可以分为无滑移、局部滑移和全滑移3个阶段。

（2）型钢再生混凝土推出试验中，试件端部裂缝表现为劈裂破坏，裂缝的形成及发展受保护层厚度、截面配箍率等因素影响。

（3）型钢再生混凝土粘结强度随着再生骨料取代率的增大而降低，这与混凝土抗压强度变化规律相一致，再生骨料取代率对试件粘结强度的影响主要在于混凝土抗压强度的变化。

（4）随着保护层厚度、横向配箍率的增加，型钢再生混凝土粘结强度相应提高。随着锚固长度增大，试件峰值粘结强度降低，且降低速率随锚固长度增大而增大，锚固长度对残余粘结强度影响较小。

（5）通过回归分析，拟合得出型钢再生混凝土粘结强度计算公式，粘结强度计算值与实测值的比值为0.98～1.03，吻合较好。